專利名稱：利用一個(gè)四等分圓線性求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域，涉及一種用于求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的一個(gè)四等分圓靶標(biāo)。利用平面上任意一個(gè)四等分圓作為標(biāo)定模板，通過求解三幅圖像上消失線與平面圓的像橢圓相交得出圓環(huán) 點(diǎn)的像的坐標(biāo)，線性確定攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)。
背景技術(shù)：
計(jì)算機(jī)視覺的基本任務(wù)之一，就是從攝像機(jī)獲得的二維圖像信息出發(fā)恢復(fù)物體在三維空間中的幾何信息,從而識(shí)別和重建三維空間中物體的幾何形狀。在此過程中必須確定空間物體點(diǎn)的三維幾何位置與其圖像中的對應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系，而這種關(guān)系又由攝像機(jī)成像的幾何模型決定的，這些幾何模型的參數(shù)就是攝像機(jī)參數(shù)。在大多數(shù)條件下，這些參數(shù)都是通過實(shí)驗(yàn)得到的，這就是攝像機(jī)標(biāo)定。它一般分為傳統(tǒng)標(biāo)定和自標(biāo)定兩種方法，無論哪種標(biāo)定方法，標(biāo)定物體都是采用一些特殊的幾何模型，例如平面正方形、三角形，圓，空間立方體、圓柱等等。如何建立這些幾何模型與攝像機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系尤其是某種線性的關(guān)系，是目前攝像機(jī)標(biāo)定所追求的目標(biāo)，也是目前計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定方法雖然可以獲得較高的精度，但是標(biāo)定塊制作困難，不便于操作。針對這一問題文獻(xiàn)“A flexible new technique for camera calibration，，，
(Zhengyou Zhang ， IEEE Transactions on Pattern Analysis and MachineIntelligence, vol. 22，no. 11，pp. 1330-1334，2000.)提出了用平面模板代替?zhèn)鹘y(tǒng)標(biāo)定塊的方法，這種方法簡單方便，成本低，并且能獲得較高的精度，但需要精確定位模板上點(diǎn)陣的物理坐標(biāo)。文獻(xiàn)“Planar conic based camera calibration，，，(Changjiang Yang,Fengmei Sun ， Zhanyi Huj In Proceedings of International Conference on PatternRecognition, vol. 1，pp. 555-558，2000.)將這一方法作了推廣，用圖像和模板之間的二次曲線對應(yīng)來標(biāo)定攝像機(jī)，而不是利用點(diǎn)與點(diǎn)之間的對應(yīng)。由于二次曲線是一種更簡潔更全局化的基元，因而可以進(jìn)一步提高方法的穩(wěn)定性。于是用曲線解決標(biāo)定問題被廣泛研究。文獻(xiàn)“A new easy camera calibration technique based on circular points，，，(Xiaoqiao Mengj Zhanyi Hu, Pattern Recognition, vol. 36，no. 5，pp. 115-1164，
2003.)提出了用一個(gè)圓和通過圓心的若干條直線構(gòu)成的標(biāo)定模板，利用圓環(huán)點(diǎn)來求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的方法，該方法首次將射影幾何中的圓環(huán)點(diǎn)融入到攝像機(jī)標(biāo)定中，于是圓環(huán)點(diǎn)成了攝像機(jī)自標(biāo)定方法的理論基礎(chǔ)(Hartley Richard, Zisserman Andrew，“Multiple viewgeometry in computer vision，，，Cambridge University Press, Cambridge, 2000·)。圓是平面上一條特殊的二次曲線，平面上所有的圓都通過圓環(huán)點(diǎn)。利用圓作為標(biāo)定模板，結(jié)合圓環(huán)點(diǎn)的理論來進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定的方法逐漸被推廣。文獻(xiàn)(Yihong WujHaijiang Zhuj Zhanyi Huj Fuchao Wuj “Camera calibration from the quasi-affineinvariance of two parallel circles，，，In Proceedings of the ECCVj pp. 190-202，
2004.)提出了用平行圓標(biāo)定的方法，根據(jù)平行圓的交點(diǎn)是圓環(huán)點(diǎn)直接求解兩個(gè)平行圓的像的交點(diǎn)來完成標(biāo)定。文獻(xiàn)(Yihong Wuj Xinju Li，F(xiàn)uchao Wuj Zhanyi Huj uCoplanarcircle, quasi-affine invariance and calibration，，， Image and Vision Computing,vol. 24，no. 4，pp. 319-326，2006.)討論了平面上任意兩個(gè)圓的位置關(guān)系，根據(jù)圓的位置關(guān)系計(jì)算圖像中二次曲線的交點(diǎn)來求得圓環(huán)點(diǎn)的像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種制作簡單，適用廣泛，穩(wěn)定性好的用于求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的靶標(biāo)，該靶標(biāo)是由一個(gè)四等分圓組成。在求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的過程中，只需攝像機(jī)從不同方位拍攝3幅圖像就可以線性求解出攝像機(jī)的5個(gè)內(nèi)參數(shù)。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明是由四等分圓構(gòu)成的用于攝像機(jī)自標(biāo)定的靶標(biāo)。具體的步驟包括從圖像上提取橢圓方程和兩條相互垂直的直徑的像，根據(jù)配極原則及共點(diǎn)四條直線的交比的性質(zhì)，得出圖像平面上的消失線，利用消失線與平面圓的像橢圓相交計(jì)算兩個(gè)圓環(huán)點(diǎn)的像的坐標(biāo)，根據(jù)三幅圖像上的圓環(huán)點(diǎn)的像的坐標(biāo)線性求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)。
·
(I)擬合圖像中曲線方程
利用VC++6. O平臺(tái)的OpenCV程序中的函數(shù)提取出圖像特征點(diǎn)的坐標(biāo)，并用最小二乘算法擬合出圖像中的橢圓，得到圖像上各橢圓方程。(2)計(jì)算圖像平面消失線
如果在世界坐標(biāo)系的一個(gè)平面上，存在一個(gè)四等分圓(如圖I),召是圓的兩條互相垂直的直徑，且召名尤巧在圓上力圓心，設(shè)直線屯上的無窮遠(yuǎn)點(diǎn)分別為圮；》。如圖2，PiPx 分別是m, P5P4的像,0是0的像，P是無窮遠(yuǎn)點(diǎn)iL的像點(diǎn)，即PA方向的消失點(diǎn)，設(shè)P故是無窮遠(yuǎn)點(diǎn)I的像點(diǎn)，即芎乓方向的消失點(diǎn);設(shè)ft的坐標(biāo)為( 弋3) ,A的坐標(biāo)為(SPV);設(shè)圓上兩點(diǎn)吞；關(guān)于圓的切線為￡/3, Lm，其像P3, A的關(guān)于圓切線分別為Z所在的直線分別為今3 4。點(diǎn)O關(guān)于圓的極線是平面上的無窮遠(yuǎn)直線,設(shè)為4.,像點(diǎn)O關(guān)于像圓的極線是像平面上的無窮遠(yuǎn)直線，設(shè)為‘ 關(guān)于圓的極線是馬5所在的直線,記為4講。概g射影幾何中調(diào)和共軛理論及配極關(guān)系，得( *,= (H ^d2J = -I，根據(jù)射影變換中相應(yīng)點(diǎn)的對應(yīng)性
和交比不變形性及保持配極關(guān)系不變,得(WU卿2) 二 0^4.印W)=—I。設(shè)圓的像為C,其矩陣為C，那么點(diǎn)Pl關(guān)于C的切線方程為= O ( ^#3是點(diǎn)Ih關(guān)于C的切線)，即V 3，1)4 X2^ - ) ~ O，其中(X1, x2, X3)是切線上的任一點(diǎn)，展開即可得出。的齊次線坐標(biāo)，同理也可得出P4關(guān)于c的切線方程為= O (這fi是點(diǎn)/ 關(guān)于C的切線)，即X2，X3) = O ,其中(X1, X2, X3)是切線上的任一點(diǎn)，展開即可得出&4的齊次線坐標(biāo)。由點(diǎn)P1A2的坐標(biāo)可得直線。 2的齊次線坐標(biāo)，根據(jù)2 =^3 + Λ2^4-Λ = ^P4 (其中 xI^^動(dòng)，得出少'2 =- ,將的坐標(biāo)代
入xJplf2 = 3 + X.2!p*，Λ =i'ji3+J>Vif4就可得出巧，那么I Iky尤可得出，進(jìn)而消失線乙就確定了。(3)計(jì)算兩個(gè)圓環(huán)點(diǎn)的像的坐標(biāo)根據(jù)消失線與圓的像相交，即L與C叉乘為零，得出的交點(diǎn)就是圓環(huán)點(diǎn)的兩個(gè)像
點(diǎn)，記為O(4)求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)
獲取三幅圖像，由消失線與圓的像橢圓相交得出圓環(huán)點(diǎn)的像，線性求解出攝像機(jī)的5
個(gè)內(nèi)參數(shù)，即矩陣
權(quán)利要求
1. 一種利用一個(gè)四等分圓線性求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的方法，其特征在于利用一個(gè)平面的靶標(biāo)，此靶標(biāo)是由平面上一個(gè)四等分圓構(gòu)成；首先從圖像上提取橢圓方程和兩條相互垂直的直徑的像，根據(jù)配極原則及共點(diǎn)四條直線的交比的性質(zhì)，得出圖像平面上的消失線，再利用消失線與平面圓的像橢圓相交計(jì)算兩個(gè)圓環(huán)點(diǎn)的像的坐標(biāo)，根據(jù)三幅圖像上的圓環(huán)點(diǎn)的像的坐標(biāo)線性求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)；具體步驟包括圖像平面消失線求解，兩個(gè)圓環(huán)點(diǎn)的像的坐標(biāo)求解，攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣中的fM,s,u0,fv,v0 5個(gè)參數(shù)求解 (1)計(jì)算圖像平面消失線 如果在世界坐標(biāo)系的一個(gè)平面上，存在一個(gè)四等分圓是圓的兩條互相垂直的直徑，且巧，4在圓上力圓心，設(shè)直線巧上的無窮遠(yuǎn)點(diǎn)分別為巧《，匕;ΡιΡ2，分別是召馬> 巧巧的像，O是O的像τ是無窮遠(yuǎn)點(diǎn)的像點(diǎn)，即石巧方向的消失點(diǎn)，設(shè)&是無窮遠(yuǎn)點(diǎn)巧》的像點(diǎn)，即馬巧方向的消失點(diǎn)；設(shè)巧的坐標(biāo)為, Λ的坐標(biāo)為>ν 4);設(shè)圓上兩點(diǎn)巧關(guān)于圓的切線為，其像·？*3> Ih的關(guān)于圓切線分別為ΛΑ所在的直線分別仏_ ;點(diǎn)O關(guān)于圓的極線是平面上的無窮遠(yuǎn)直線，設(shè)為4·,像點(diǎn)0關(guān)于像圓的極線是像平面上的無窮遠(yuǎn)直線，設(shè)為4 關(guān)于圓的極線是巧S所在的直線，記為;根據(jù)射影幾何中調(diào)和共軛理論及配極關(guān)系，得LmL 3科)={P3P^, OP2m) = -I，根據(jù)射影變換中相應(yīng)點(diǎn)的對應(yīng)性和交比不變形性及保持配極關(guān)系不變，得又&i2) ==-I ;設(shè)圓的像為σ,其矩陣為e，那么點(diǎn)Ps關(guān)于Ct的切線方程為這]/3 = O ( 是點(diǎn)Pl關(guān)于C的切線)，即 X3) = O，其中WbX3)是切線上的任一點(diǎn)，展開即可得出b的其次線坐標(biāo)，同理也可得出P4關(guān)于的切線方程為是點(diǎn)A關(guān)于的切線)，即(％,v;4JM%x2,x3) = 0 ,其中(W3)是切線上的任一點(diǎn)，展開即可得出&的其次線坐標(biāo)；由點(diǎn)Λ,P2的坐標(biāo)可得直線ZplprJ的其次線坐標(biāo)，根據(jù)xl:plf2 =^3 + x2i 4>>fl =4 (其中Χ1，Χ2> 』2是系數(shù))，得出J2 = -Χ2，將，丨構(gòu)2的坐標(biāo)代入xJ pip 2 = 3 + Χ2‘4， =』js3 就可得出那么也就可得出，進(jìn)而消失線4就確定了 ； (2)計(jì)算兩個(gè)圓環(huán)點(diǎn)的像的坐標(biāo) 根據(jù)消失線4與圓的像Ci相交，即4·與C叉乘為零，得出的交點(diǎn)就是圓環(huán)點(diǎn)的兩個(gè)像點(diǎn)，記為; (3 )求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù) 獲取三幅圖像上的圓環(huán)點(diǎn)的像的坐標(biāo)，線性求解出攝像機(jī)的5個(gè)內(nèi)參數(shù)，即內(nèi)參數(shù)矩
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用平面上一個(gè)四等分圓求解圓環(huán)點(diǎn)的像進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定的方法，對標(biāo)定的靶標(biāo)從不同方向拍攝三幅圖像，從圖像上提取橢圓方程和兩條互相垂直的直徑的像，根據(jù)配及原則，利用共點(diǎn)四條直線的交比性質(zhì)，得出平面上的消失線，利用消失線與圓的像橢圓相交得出圓環(huán)點(diǎn)的像。建立圓環(huán)點(diǎn)的像對應(yīng)于攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的約束方程，線性求解攝像機(jī)5個(gè)內(nèi)參數(shù)。利用本發(fā)明中的靶標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)標(biāo)定，減少了標(biāo)定過程中由測量引起的誤差。由于二次曲線是一種更簡潔更全局化的基元，在攝像機(jī)標(biāo)定過程中提高了標(biāo)定精度。
文檔編號(hào)G06T7/00GK102930546SQ20121045135
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月13日
發(fā)明者趙越, 崔倩, 呂曉丹 申請人:云南大學(xué)